桥梁颤振气动导数在均匀流与紊流作用下的统一辨识理论研究

桥梁断面颤振气动导数的准确识别是桥梁空气动力稳定性研究的基础,一直是桥梁风工程研究领域的前沿课题。基于工况模态分析理论,本文首先导出了紊流条件下桥梁颤振气动导数辨识的完整方法;其次,将上述数据处理方式运用到由均匀流条件引起的自由衰减振动中,得出与紊流情况类似的结果。本文提出的方法能够用同样的辨识原理、同一个数据处理程序统一地对紊流和均匀流下的桥梁气动导数进行辨识;最后,利用数值仿真算例验证上述理论。     

大跨度悬索桥钢箱加劲梁中央开槽的颤振控制机理

针对近流线型的闭口钢箱梁这种大跨悬索桥常用的加劲梁断面形式,采用风洞试验与理论分析相结合的方法研究不同宽度中央开槽的颤振控制作用与颤振控制机理.通过对原型断面和5种槽宽开槽断面(开槽宽度分别为原型断面宽度的20%、40%、60%、80%和100%)的试验研究表明,适当宽度的中央开槽可以较大幅度的提高颤振临界风速,但槽宽并非越宽越好,而是存在一个"最优槽宽".采用二维三自由度耦合颤振分析方法从气动阻尼和颤振形态矢量两方面对中央开槽的颤振控制机理进行理论研究,结果表明,适当宽度的中央开槽可以改善气动阻尼的形成和发展规律,并提高颤振发生时竖弯自由度的参与程度和扭弯耦合程度,从而增强结构的颤振稳定性能.     

基于流场定常化的桥梁颤振分析简化数值方法

基于数值方法实现快速有效地分析评价大跨桥梁颤振稳定性.针对强迫振动法识别颤振导数试验中的大跨桥梁二维节段模型.利用RNG κ-ε湍流模型并采用有限体积法求解桥梁模型绕流二维不可压缩流体Navier-Stokes方程.通过计算桥梁断面模型在周期运动中少数离散时刻的气动力,利用最小二乘法计算颤振导数,采用SCANLAN方法求解颤振临界风速,最终进行颤振稳定性分析.通过该方法计算出了丹麦Great Belt East桥和我国虎门大桥的颠振临界风速.计算结果与已有试验结果十分接近,进而验证了该数值方法的有效性和可靠性.     

格栅湍流风场风参数变化规律的风洞试验研究

格栅湍流风场常用于研究来流风参数对结构风效应的影响规律与作用机理。本文对不同格栅湍流风场的风参数随横栅板起始高度、孔隙率、距离和栅板宽度的变化规律进行了研究,结果表明:横栅板起始高度为横栅板间距一半时,格栅湍流风场的均匀性较好。湍流积分尺度离散性较大,可采用一定范围内的湍流积分尺度的平均值衡量试验横断面湍流积分尺度的总体大小。随着距离增大,湍流强度呈指数衰减趋势,湍流积分尺度呈增大趋势;随着栅板宽度增大,湍流强度和湍流积分尺度均增大;基于试验结果提出了湍流强度和湍流积分尺度关于距离和栅板宽度的计算公式。根据风参数的变化规律,调试出了两组特定的格栅湍流风场,一组湍流强度接近,湍流积分尺度相差较大,反映了脉动风的涡旋结构不同;另一组湍流积分尺度接近,湍流强度相差较大,反映了脉动风的能量大小不同。上述研究结果为下一步研究风参数对高层建筑风效应的影响规律打下了基础。     

主动约束层阻尼对超声速梁结构颤振特性的影响

本文采用主动约束层阻尼技术研究超声速梁的颤振特性,利用Hamilton原理和假设模态方法建立结构的运动方程,采用活塞理论模拟超声速梁的气动压力,采用速度负反馈控制获得主动阻尼,求解本征值问题得到复特征值,进而得到结构的固有频率和损耗因子.计算结构的固有频率随无量纲气动压力的变化曲线,得到颤振点,分析了主动阻尼和被动阻尼对颤振速度的影响.计算结果表明主动阻尼可以影响梁的气动弹性特性,并增大超声速梁的颤振速度.本文研究结果对超声速飞行器结构的颤振分析和气动设计具有重要意义.     

基于节段模型试验的宽幅箱梁涡振性能气动措施优化

为了研究宽幅流线型箱梁断面的涡振性能,以某跨越长江的大跨悬索桥为背景,进行1∶50节段模型风洞试验。分析了检修轨道、人行道栏杆等涡振敏感构件的影响,研究了改变人行道栏杆形式、附加斜腹板导流板以及风嘴分流板等气动措施的制振效果。研究结果表明,宽幅箱梁涡振性能随来流攻角增大而逐渐变差,且由于漩涡Strouhal数的变化易诱发多区间涡振,扭转涡振幅值随阻尼增加线性衰减显著。人行道栏杆是此类断面的涡振敏感构件,去掉栏杆踢脚石能明显改善涡振性能;斜腹板导流板对改善其涡振性能效果微弱;风嘴分流板具有显著的制振效果,不仅能有效地抑制主梁涡振的发生,且能提高颤振临界风速。     

桥梁节段模型气弹振动的非线性判别方法研究

在ERA(Eigensystem Realization Algorithm)的理论框架内建立了误差因子,评估桥梁节段模型风洞实验中气动导数的辨识质量。通过子空间能量分解,分别计算辨识过程中有效识别信号成分能量和未被识别信号成分能量与总信号能量的比值,并以此构造误差因子。将相同实验环境下自由衰减振动和尾流激励随机振动两组实验的误差因子相互比对,判断桥梁节段模型的气弹振动非线性是否对气动导数辨识结果产生影响。依据误差因子判断,在本文所使用的两种节段模型中,部分流线型箱梁断面具有较强的耦合非线性;而槽形开口型断面的模型具有较低的耦合非线性。     

模型燃烧室内瞬态紊流的大涡模拟

本文采用三种不同亚网格尺度模型对带有V型稳定器的模型燃烧室二维瞬态紊流流动进行了大涡模拟。并在交错网格系下用SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程。数值研究拟不同型式入口速度分布和不同亚网格尺度模型下模型燃烧室二维瞬态紊流流场。计算结果表明不同入口速度分布和不同亚网格尺度模型对瞬态流场和出口速度分布有一定的影响。本文通过数值模拟,揭示了V型稳定器后旋涡的产生和脱落过程。通过计算结果及实验数据的比较可知,本文采用的亚网格尺度模型可以用来模拟模型燃烧室紊流流场及稳定器后面回流区的流动情况。     

主动控制翼板抑制悬索桥颤振的研究

主动控制翼板是一种新型桥梁气动措施。本文基于非定常气动力理论，推演了安装主动控制翼板后作用在整个桥梁主梁单位长度上气动力表达式，从增加系统扭转阻尼的角度，研究了翼板主动扭转振动参数的选取。在此基础上，对某大跨悬索桥方案进行了二自由度颤振分析，结果表明：合理选取翼板的主动扭转振动参数，主动控制翼板能够有效地提高该桥的颤振稳定性。     

不同交通流状态下桥梁气动导数的风洞试验研究

为了考虑实际运营车辆对桥梁气动导数的影响,根据车辆密度模拟了三种交通流状态,基于强迫振动装置,分别对每个交通流和无车状态下的桥梁气动导数进行风洞试验研究,讨论了不同攻角下不同车流的车辆对桥梁气动导数的影响,探究了车辆对气动导数影响的百分比以及气动导数变化量的变化规律。研究结果表明:不同攻角下不同车流的车辆均对直接导数A*2、H*4和交叉导数A*4、H*2影响显著,A*2、A*3变化量随着折减风速有一定的变化规律。虽然不同攻角下不同车流的车辆对气动导数的影响程度及影响规律不同,并且车流的繁忙程度对大多数气动导数的影响规律不明显,但是车辆对桥梁气动导数的影响不容忽略。     

涡度拟能传输惯性区二维湍流标量场方差谱

本文应用非平衡统计力学封闭方法,给出涡度拟能传输惯性区二维湍流标量场方差谱的完整表达式,数值计算该表达式中的比例系数B。由于传输过程的非局部性,B依赖于表征波数变化范围的局部化因子,不再是普适常数。     

Decomposition of Turbulent Velocity Fields in an SI Engine

In this study, the turbulence filter, the phase averaging and the proper orthogonal decomposition methods are used to decompose experimentally measured turbulent velocity fields in an SI engine. The radial and circumferential turbulent velocity fields were measured using hot wire anemometer under motored conditions at different engine configurations. The decomposed results of each technique are compared with each other. In addition, the obtained organized and turbulence motions and their energy spectra are examined. Finally, coherent structures of velocity fields and their activities are investigated. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Properties of the hybrid RANS/LES filter

One of the most important and challenging topics in the Large Eddy Simulation of turbulent flows is the connection of the LES technique to the well known and largely used RANS approach where the Navier–Stokes equations are Reynolds averaged. The hybridation of LES and RANS is not only important for its possible practical use, (a rational use of the computational means in different zones), but also from a theoretical point of view, and one possible procedure consists of blending RANS and LES models in the transition zone. In this paper a new filtering technique based on blending filters which transitions smoothly between LES and RANS is proposed and the associated universal model for the subgrid scale stresses is derived. PACS 47.27.Eq     

关于具有剪应力的普通湍流理论发展

本文叙述了周培源1945年发表具有剪应力的普通湍流理论以后,各种湍流模式理论的主要发展概况.      

A model of stress dissipation in second-moment closures

The paper presents a modified expression for the dissipation rate tensor _ij in the second-moment closure models, which employs the dissipation flatness parameterE and the turbulenceRe number. The expression reproduced the distribution among the three diagonal components of _ij in agreement with the direct numerical simulation of a plane channel flow ofMansour, Kim and Moin, 1988. Implemented in a low-Re-number differentialRe-stress model the relationship yielded predictions of dissipative components better than other models, albeit spoiled by still unsatisfactory modelling of the equation for the energy dissipation rate . on leave from Mainski Fakultet, University of Sarajevo, Bosnia Hercegovina.     

剪切湍流大尺度相干结构的模式研究

发展了一种计算剪切湍流大尺度相干结构的新模式．该模式的基础是认为大尺度相干结构为湍流场中流体脉动能量增长最快的那部分，且包含大部分的湍流脉动能量．在此基础上。通过对湍流相干能量方程的推演。建立了描述大尺度相干结构的特征控制方程，并应用Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ多项式方法求得湍流相干能量的最大增长率在波数空间的分布，从而获得对应的大尺度相干结构．应用该模式研究了槽流和一自然对流中的大尺度相干结构，得到的近壁区流动结构与实验现象十分接近．     

走近湍流

简要回顾了20世纪湍流研究的进展,特别是近30多年湍流研究的新成就。对于湍流研究的若干热点问题提出了一些看法。     

剪切湍流的涡黏张量模式

对剪切湍流提出了涡黏系数为四阶张量的涡黏张量模式。引入近代数学中Ｍｏｏｒｅ－Ｐｅｎｒｏｓｅ广义逆矩阵的研究结果，给出了构造涡黏张量各分量的计算公式。用平面后台阶流动验算了剪切湍流的涡黏张量模式，比ＲＳＭ和ｋ－ε模式更接近实验结果。提出了剪切湍流涡黏张量模式的应用设想。     

Reynolds stress and vorticity in turbulent wall flows

Experimental measurements in a boundary layer and a large-eddy simulation of plane channel flow have been used to study the dynamics of vorticity and mass transport in the nearwall region. It was found that Reynolds stress generation occurs in the vicinity of quasi-streamwise vortices, and that smoke particles tend to be ejected from the wall near these vortical structures.     

在我国开展工程湍流研究的设想

本文包括三部分:１）提出开展工程湍流研究的背景;２）工程湍流研究的特征和内容;３）开展工程湍流研究的设想,其中包括:ａ）湍流理论的概念鉴别和在工程中的应用,ｂ）湍流模式理论的应用和完善,ｃ）湍流测量和ｄ）湍流控制．